混合動力重型卡車構型方案與控制策略簡述

張文博，楊志剛，晏強

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混合動力重型卡車構型方案與控制策略簡述

張文博，楊志剛，晏強

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

近年來，混合動力汽車以其低油耗、低排放、續航里程長和生產成本相對較低等優勢，成為了國內外汽車行業研究的熱點。據此，預測我國重卡行業在混合動力車型上的研發也將迅速發展。混合動力重型卡車作為研發技術具有代表性的新能源車型，文章通過對其構型方案、計算模型和控制策略的簡要論述，提出了一些適合重型卡車的混合動力技術路線的開發思路。

混合動力；構型方案；計算模型；控制策略

引言

汽車產業的迅猛發展，使全世界范圍內的汽車保有量迅速增加，汽車數量的增加、能源的消耗又加劇了尾氣排放對大氣的污染。汽車發展引發的環境問題和能源危機，使人們對新能源汽車技術的關注度日益增加。新能源汽車主要包括純電動汽車、混合電動汽車、燃料電池汽車、太陽能汽車以及其他動力類型汽車。盡管純電動汽車是理想的交通工具，但是純電動汽車的能源——電池，具有比質量大、比價格高的缺點，電池的成本、充電時間、壽命和電解液污染等問題限制了電動汽車的發展。燃料電池的成本高、氫的儲存和運輸存在技術問題，所以燃料電池汽車的應用也很少。

混動技術不受上述問題限制。近年來，混合動力汽車以其低油耗、低排放、續航里程長和生產成本相對較低等優勢，成為了國際汽車界的研究熱點。混合動力汽車融合了純電動汽車和傳統內燃機汽車的優點，是目前技術條件下最具發展潛力和產業化前景的新能源汽車。由于混合動力汽車結構復雜，開發混合動力汽車所涉及的構型分析、參數匹配、節能分析、電池技術、電控技術等關鍵技術，基本上涵蓋了大多數其他新能源汽車研發過程中的通用關鍵技術。因此，混合動力汽車關鍵技術在整個新能源汽車領域中最具代表性。

相對于家用轎車、乘用客車，國內混合動力重型卡車發展較晚，屬于剛剛起步階段，但必將迅速發展，開發過程理論設計和相關技術可借鑒混合動力乘用汽車開發經驗。本文通過對混合動力重型卡車構型方案、計算模型和控制策略的簡要論述，提出了一些適合重型卡車的混合動力技術路線的開發思路。

1 混合動力重型卡車構型方案與特點

1.1 混合動力重型卡車構型分類

與乘用車一樣，混合動力重型卡車構型有兩種不同的分類方法：一、按照電能與傳統能源的混合度，即驅動電機輸出功率在整個動力系統輸出功率的占比，分為：弱混、中混和強混，如表1所示；二、按照動力系統的結構類型及連接關系，分為：串聯式、并聯式和混聯式。

表1 混合動力重卡按混合度分類

其中串聯式構型卡車發動機與車輪之間沒有直接的機械連接，發動機提供能量為電池充電或者直接為電動機提供能量，控制發動機相對容易，但由于工作過程中存在二次能量轉換，其傳動效率低。

并聯式構型卡車發動機通過機械路徑與車輪相連，發動機和電動機分別或者同時驅動，當再生制動環節或者發動機產生的能量超過驅動汽車行駛所需要的能量時，電動機像發電機一樣給電池組充電。并聯式構型不能實現發動機與路載之間的解耦，動力系統的控制難度相對較大，但節能效果明顯，適合應用于長途物流運輸車。

混聯式構型卡車綜合了串聯和并聯構型的優勢，具備最大限度地提高整車的燃油經濟性潛能，但控制十分復雜，成本更加昂貴。

1.2 三種構型方案的特點

1.2.1 串聯式

串聯式混合動力汽車由發動機、發電機和電動機三大主要部件組成。這三個動力源通過串聯的方式連接在一起，其結構原理如圖1所示。發動機僅用于驅動發電機發電，并不直接驅動卡車。發電機所發出的電能供給電動機來驅動整車行駛或者存儲于動力電池中。

圖1 串聯式混合動力

發動機和發電機組成一個能量轉化系統，將化學能轉化為電動機需要的電能。當發動機輸出的功率超過汽車行駛所需要的功率時，多余的能量被用來向動力電池充電，電動機直接驅動是唯一驅動模式。這就使發動機從路面負荷中解耦出來，能夠在很大程度上減少發動機工作區間的變換頻率，使控制發動機的工作狀態變得相對容易，發動機可以經常保持在穩定、高效、低污染的工作區間。但是，發動機輸出的機械能由發動機轉化為電能，再由電動機將電能轉化為機械能用以驅動卡車，經過兩次能量轉換，中間伴隨著能量的損失。因此，一般只有在兩種情況下才會選用串聯式構型：（1）用于驅動能絕大部分來源于動力電池，發動機僅用于增加續駛里程的電動車；（2）發動機和電動機的綜合效率超過傳統能源車輛的動力傳動水平。

1.2.2 并聯式

并聯式混合動力驅動系統中，發動機和電動機通過動力耦合裝置同時與驅動軸相接，按照動力源之間的連接關系，并聯式構型可分為驅動力結合式、單軸轉矩結合式、雙軸轉矩結合式和轉速結合式四種，如圖2所示。

圖2 并聯混合動力圖

與串聯式相比，并聯式結構具有一些明顯優點：電池組容量較低，動力電池的質量和成本也就相應降低；通過優化控制策略，可使發動機以機械方式直接驅動車輛，這一傳遞路徑減少了能量多次轉換所造成的損失；當車輛所需功率較大，發動機工作狀況惡化時，由動力電池及電動機通過向車輛提供補充動力來避免發動機工作區域的大幅變化，使發動機穩定工作在經濟區間。

并聯式混合動力汽車的工作模式及能量流動有多種不同形式，其工作模式可以分為以下四種：

純電動模式：當車輛起步或者低速行駛時關閉發動機，此時用動態特性好的電動機單獨驅動車輛，能夠使發動機避開低效、高排放量工作區，提高整車燃油經濟性，降低排放。

發動機單獨驅動：當車輛以高速平穩運行時，可由發動機單獨工作。在這種模式下，發動機工作在高效區，燃油經濟性好，發動機直驅，傳動效率高。

聯合驅動模式：車輛急加速或者爬坡時對動力性要求較高，此時發動機和電動機均處于工作狀態，電動機作為輔助動力源，提供車輛所需的功率。

制動能量回收模式：當卡車減速或者制動時，利用電動機反拖作用不僅可以有效的輔助制動，還可以使電動機以發電機模式工作，給動力電池充電，將回收的制動能量儲存于動力電池中，在必要時釋放出驅動汽車行駛，使整車能量利用率提高。

1.2.3 混聯式

混聯式構型綜合了串聯和并聯的優點，如圖3所示，其三個動力源之間具有更多的動力匹配方式，車輛具有多種工作模式，從而保證了混合動力系統在復雜工況下仍能實現最佳動力匹配。但混聯式動力總成結構利用行星齒輪組作為動力耦合結構，對控制策略的要求比較苛刻，同時整車布置難度較大，解決這些難題后，混聯將更具價值。

圖3 混聯式混合動力

2 混合動力重型卡車能量計算模型

機械傳動系統及發動機能量分析模型，可應用于傳統能源的重型卡車能量消耗計算，而對于混合動力重型卡車，還需要建立電系統（包括電機、逆變器及電池）的能量計算模型。混合動力車輛的能量消耗是通過各動力總成的功率積分計算得到的，因此，能量計算以研究其功率流為基礎。下文以技術成熟、適合應用于重型卡車的并聯式構型進行說明。

圖4 并聯式混合動力重卡功率流

并聯式混合動力重型卡車功率流如圖4所示，v、h為工況要求的車速和坡度，a、ω為工況車速計算的車輛加速度和傳動系統轉速，Pwh為基于汽車動力學方程fv由車速、加速度、坡度計算的車輪功率需求，Pbrake為車輪制動功率，Pdl為機械驅動系統功率要求，fdl為機械驅動系統功率損失函數，Pt為動力源總成功率需求，Pe、Pm、Ps分別為發動機、電機和電池的功率需求，fe、fm、fs分別為發動機燃油消耗函數、電機效率函數和電池效率函數，E為電池能量。

在上述功率流中，汽車動力學模型通過運行工況的車速和坡度需求計算整車驅動力，該需求驅動力傳遞到車輪時，受地面附著極限限制。因此，混合動力重型卡車能量計算模型包括整車動力學建模、車輪能量建模、機械傳動系統建模、發動機能量建模、電機能量建模、電機逆變器建模和動力電池建模等。與傳統能源車型建模相同或相近的計算模型部分，本文不再贅述，重點選擇電機、逆變器、動力電池計算模型進行說明。

2.1 電機能量計算模型

以直流電機為例，電機的感應電動勢與轉矩滿足如下關系：

E=K1Ifωr（1）

Tm=K1IfIa（2）

式中，ωr為電機轉子轉速，If、Ia分別為電機定子、轉子電流，E為電機感應電動勢，Tm為電機轉矩，K1為電機結構參數常量。

電機定子、轉子的電壓關系如下：

式中，Ra、Rf分別為電機定子、轉子電阻，La、Lf分別為電機定子、轉子電感，Va、Vf分別為電機定子、轉子電壓。

通過上述方程，建立了電機的能量關系，即可計算其輸入、輸出的機械功率與電功率。也可根據其輸出與輸入功率的比值計算電機工作點的效率。對于電動狀態，輸入功率為定子電壓與電流的乘積，輸出功率為轉子轉速與轉矩的乘積；對于發電狀態，其方向正好相反，輸入功率為轉子轉速與轉矩乘積的機械功率，輸出功率為定子電壓與電流乘積的電功率。

2.2 電機逆變器能量計算模型

逆變器主要功能是通過電力電子元器件，控制電池向電機輸出所需的變頻電流。對于直流電機，逆變器主要是通過調節電壓來控制電機電流；對于交流電機，逆變器主要是產生所需頻率和相伴的相電壓。因此，可以把逆變器看作是一個具有功率損失的變換設備，其功率與電壓、電流的關系如下：

2.3 動力電池能量計算模型

由于混合動力汽車的能量計算要對電池SOC進行校正，即電池模型主要根據其逆變器功率需求來計算動力電池SOC。動力電池SOC定義為對其功率的積分得到其消耗的電能量，與其能量容量的比值。積分環節的初始值為電池的初始能量，電系統正功率是放電即電系統能量減少，負值為充電即電池能量增加。限定環節主要將動力電池輸出功率限制在電池的Pbmax與Pbmin范圍內，Pbmax為電池的最大輸出功率，Pbmin為最大再生充電功率。假定動力電池的充放電效率為恒定值ηb，BatCap為動力電池的電能容量，其大小為動力電池電壓與容量C的乘積。則動力電池能量流可由下述表達式表達：

3 混合動力重型卡車控制策略簡述

混合動力重型卡車的燃油經濟性和排放減少效果，取決于整車各系統的工作效率和協調能力，即整車控制策略起著至關重要的作用。盡管混合動力汽車的結構各有不同，但是能量管理策略的目標都是追求最大的燃油經濟性、最小的排放和最低的系統成本。同時，好的控制策略對提高整車動力性、行駛舒適性、安全性和可靠性有著積極作用。控制策略的開發主要有三種思路：基于規則的控制策略、基于模糊邏輯的控制策略、結合循環模式識別的最優工作點能量管理策略。

3.1 基于規則的控制策略

基于規則的能量管理是最常用的管理策略，在混合動力早期發展階段使用廣泛。其數學模數相對簡單，適合大部分中小型車輛，基本規則包括：

1）在低功率需求和汽車速度小的情況下，僅使用電動機；

2）高功率需求時，電動機和發動機都使用；

3）汽車高速行駛或穩定速度行駛時，僅使用發動機；

4）發動機是用于驅動車輛行駛還是用于帶動電動機給電池充電，取決于電池SOC狀態：SOC低則充電；SOC高則不需要對電池充電；

5）最大程度地利用再生制動能量；

6）調整電動機的輸出功率，優化整車動力系統效率：①適當地選用電動機，使發動機的工作點在一個更高效率的區間；②電動機的速度在最優區間時，選擇給電池充電；③保持電池SOC在0.5～0.7的范圍，這樣可以獲得充、放電的最大效率和良好的電池壽命；④汽車需求功率低時，給電池充電。

3.2 基于模糊邏輯的控制策略

由于重型卡車運行工況的復雜性，基于準確數學模型的傳統設計方法是有局限性的，運用模糊邏輯方法來設計能量管理策略相對具有優勢。基于模糊邏輯的混合動力整車能量管理策略可以按三個步驟進行設計：①建立模糊規則；②根據模糊if-then規則，用公式表示模糊關系；③用模糊關系進行推理，即控制電動機和發動機提供整車需要的動力。

首先，運用模糊邏輯運算，根據整車速度、需求功率以及電池系統的SOC狀態，計算電動機的需求功率。然后，提供計算出的功率給最終決定模塊，確定電動機和發動機分別需要輸出的功率。最終，決定模塊通過模糊邏輯調整電動機功率使得發動機在預定的工作點運行。

3.3 結合循環模式識別的最優工作點能量管理策略

上述整車控制策略主要缺點是決策的根據只有車輛當前工作條件，而沒有考慮循環行駛和駕駛員的駕駛風格，所以無法在較長的工作時段保證最優性能。而結合循環模式識別的最優工作點能量管理策略，則結合了循環行駛和駕駛風格的識別算法，根據車輛當前速度、需求轉矩、電池系統工作條件、行駛環境條件和由模式識別算法輸出的未來行駛功率概況，運用動態規劃優化算法對發動機和電動機進行最優功率分配。即根據車輛功率概況使給定成本函數最小化的優化原則，確定預測范圍內每個時間點發動機和電動機準確的控制功率。

由于各細分市場重型卡車運行工況的復雜性，隨著算法的不斷優化和關鍵技術的突破，結合循環模式識別的最優工作點能量管理策略將是混合動力重型卡車控制策略的優先選擇。

[1] 彼得·霍夫曼著,耿毅,耿彤譯.混合動力汽車技術.[M]機械工業出版社.

[2] 約翰M·米勒著,劉玉梅等.混合動力汽車驅動系統.[M]機械工業出版社.

[3] Wei Liu著,殷國棟等譯.混合動力汽車系統建模與控制.[M]機械工業出版社.

Configuration Scheme and Control Strategy of Hybrid Heavy Truck

Zhang Wenbo, Yang Zhigang, Yan Qiang

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

In recent years, HEV has become a research hotspot in the automotive industry at home and abroad due to its advantages of low fuel consumption, low emission, long endurance mileage and relatively low production cost. It is predicted that the R&D of heavy truck industry in China will also develop rapidly. As a representative new energy vehicle, this paper discusses the configuration scheme, computational model and control strategy of hybrid heavy truck, and puts forward some development ideas suitable for hybrid heavy truck.

Hybrid; Configuration Scheme; Computational model; Control Strategy

A

1671-7988(2018)18-36-04

U469.7

A

1671-7988(2018)18-36-04

CLC NO.: U469.7

張文博，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.014